黃　飛， 朱興江， 張久峰， 張曉麗

(國家鋼鐵及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 馬鞍山　243000)

引　言

橋梁鋼主要用于架造鐵路橋梁、公路橋梁、跨海大橋等，要求有較高的強(qiáng)度、沖擊韌性；此外，橋梁在服役時(shí)承受機(jī)車車輛的高速加載，由于金屬材料對(duì)加載速率的敏感性不同，其抗斷能力隨加載速率的不同而變化，不同溫度、不同季節(jié)溫差較大。常溫下，靜態(tài)條件下測試強(qiáng)屈比和低周疲勞等已不能完全評(píng)價(jià)橋梁鋼在實(shí)際使用時(shí)抵抗斷裂的能力[1-3]；此外，幾乎所有的斷裂事故都是由于缺陷導(dǎo)致裂紋的生成和擴(kuò)展引起的[4-5]。因此，通過應(yīng)用斷裂力學(xué)的分析研究方法，把構(gòu)件的裂紋尺寸，服役特點(diǎn)與材料的抗斷能力定量聯(lián)系起來，對(duì)含裂紋的構(gòu)件進(jìn)行動(dòng)態(tài)斷裂韌性的評(píng)估，設(shè)計(jì)時(shí)考慮橋梁鋼的動(dòng)態(tài)斷裂韌性，可以更準(zhǔn)確地為橋梁的安全設(shè)計(jì)制定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)[6]。

1　試驗(yàn)過程

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為取自某鋼廠生產(chǎn)的Q420q橋梁鋼板，厚度δ=16 mm，其化學(xué)成分如表1所示；金相組織為鐵素體+珠光體，如圖1所示。

表1　 試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分分析結(jié)果/%

圖1　試樣的金相組織照片

1.2　試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 2975-1998[7]由鋼板的縱向截取試驗(yàn)鋼樣坯，按照GB/T 229-2007[8]制成55 mm×10 mm×10 mm夏比沖擊試樣，開V型缺口，動(dòng)態(tài)斷裂韌性測試試樣依據(jù)GB/T 4161-2007[9]進(jìn)行疲勞裂紋的預(yù)制。

分別在20 ℃，0 ℃，-20 ℃，-40 ℃，-60 ℃五個(gè)試驗(yàn)溫度條件下進(jìn)行沖擊吸收能量(KV2)的測試和動(dòng)態(tài)斷裂韌性(動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子KId)的測試，每個(gè)溫度條件下測試3件，沖擊試樣低溫槽冷卻介質(zhì)采用無水乙醇。在國家鋼鐵及制品質(zhì)檢中心NI500C儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)標(biāo)稱能量500 J，初始速率V0=5.3 m/s，動(dòng)態(tài)斷裂韌性測試試樣用夏比沖擊試樣(55 mm×10 mm×10 mm)在日本島津EHF-EM200k1-070-0A電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制裂紋，裂紋比為a/w=0.45。試驗(yàn)時(shí)儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)軟件自動(dòng)記錄F-t和F-s曲線，由計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)計(jì)算出各階段消耗的能量和動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子。

2　結(jié)果與討論

2.1　沖擊吸收能量及韌脆轉(zhuǎn)變規(guī)律

不同試驗(yàn)溫度條件下沖擊吸收能量如表2所示。由表可知，隨著試驗(yàn)溫度的下降，沖擊吸收能量呈下降趨勢，其沖擊試樣斷口的纖維斷面率亦呈現(xiàn)下降趨勢。

表2　不同試驗(yàn)溫度條件下夏比沖擊試樣測試結(jié)果

沖擊吸收能量隨試驗(yàn)溫度的變化曲線圖及纖維斷面率隨試驗(yàn)溫度的變化曲線如圖2，3所示，其變化規(guī)律隨溫度的變化較平緩，無明顯的拐點(diǎn)。在室溫20 ℃時(shí)，其纖維斷面率為100%，呈韌性斷裂，隨著試驗(yàn)溫度的下降，其纖維斷面率下降，在-40 ℃時(shí)，其纖維斷面率為50%，在-60 ℃時(shí)，纖維斷面率為0，斷口完全脆化，試樣在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。按照GB/T 229-2007中規(guī)定的斷口形貌以纖維斷面率為50%所對(duì)應(yīng)的溫度記為FATT50，即由沖擊吸收能量和纖維斷面率測試所得，該鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-40 ℃。

圖2　沖擊吸收能量隨試驗(yàn)溫度的變化曲線圖

圖3　沖擊斷口纖維斷面率隨試驗(yàn)溫度的變化曲線圖

2.2　動(dòng)態(tài)斷裂韌性及韌脆轉(zhuǎn)變規(guī)律

不同試驗(yàn)溫度條件下帶預(yù)制裂紋的夏比沖擊試樣儀器化沖擊測試結(jié)果如表3所示。由表可知，隨著試驗(yàn)溫度的下降，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子呈明顯下降趨勢，其沖擊吸收能量亦呈現(xiàn)下降趨勢。

表3不同試驗(yàn)溫度條件下帶預(yù)制裂紋的夏比沖擊試樣測試結(jié)果

試驗(yàn)溫度/℃沖擊吸收能量/J動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子/(MPa·m1/2)20255.4246.5202.8650.85700.86625.990196.7225.1250.2640.22602.16611.32-20110.395.2108.6465.78425.35469.57-4068.954.260.1225.67215.42131.20-6021.220.518.8106.2281.3584.22

如圖4所示為該鋼在不同試驗(yàn)溫度條件下的動(dòng)態(tài)斷裂韌性測試結(jié)果曲線，其具有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變特征，具有明顯的平臺(tái)和拐點(diǎn)。在小于-40 ℃區(qū)域，材料失穩(wěn)后以解理方式擴(kuò)展，屬于脆性斷裂，在-20 ℃，裂紋擴(kuò)展既有脆性的解理斷裂，又有止裂帶，在0℃以上，斷口主要呈現(xiàn)韌性斷裂，相比較-20～-40 ℃，其動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子(KId值)急劇下降。此種變化規(guī)律表明，在-20～-40 ℃溫度范圍內(nèi)，此種帶預(yù)制裂紋的橋梁鋼存在韌脆轉(zhuǎn)變特征。如圖5所示為帶預(yù)制裂紋的夏比沖擊試樣沖擊吸收能量隨試驗(yàn)溫度的變化曲線圖，其呈現(xiàn)出與動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子類似的變化規(guī)律，但離散性較大。

圖4　動(dòng)態(tài)斷裂韌性隨試驗(yàn)溫度的變化曲線圖

圖5　沖擊吸收能量隨試驗(yàn)溫度的變化曲線圖(試樣帶預(yù)制裂紋)

3　結(jié)束語

(1)用儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，測出不同試驗(yàn)溫度下沖擊吸收能量和沖擊試樣斷口纖維斷面率，得出該鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-40 ℃。

(2)用儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行帶預(yù)制裂紋的夏比沖擊試驗(yàn)，得出其不同試驗(yàn)溫度條件下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子(KId值)，并從該KId變化曲線可以看出，其具有韌脆轉(zhuǎn)變特征，其轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間為：-40～-20 ℃。

(3)從實(shí)際橋梁鋼的服役特點(diǎn)以及鋼鐵材料中均會(huì)有一定缺陷的角度考量，用動(dòng)態(tài)斷裂韌性的韌脆轉(zhuǎn)變溫度來進(jìn)行安全設(shè)計(jì)更具有應(yīng)用價(jià)值，從動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化特征來看，該Q420q橋梁鋼的安全服役溫度不應(yīng)低于-20 ℃。

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